一種基于中國(guó)氣候特征和人體舒適感受的氣候舒適指數(shù)模型*

譚凱炎 閔慶文 王培娟

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

提 要：氣候舒適指數(shù)是開(kāi)展天氣舒適度預(yù)報(bào)和旅游與康養(yǎng)氣候適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。為了發(fā)展適于我國(guó)應(yīng)用的天氣舒適度預(yù)報(bào)和旅游氣候適宜性評(píng)價(jià)模型，基于前人關(guān)于氣象要素與人體熱舒適性關(guān)系研究成果，結(jié)合對(duì)我國(guó)天氣氣候特征和問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)研究，提出了一種新的人體氣候舒適度評(píng)價(jià)模型——室外天氣舒適指數(shù)(OWCI)，其由白天平均氣溫、最高氣溫、濕度、風(fēng)速及日照共5個(gè)氣象要素對(duì)人體舒適性影響評(píng)價(jià)子項(xiàng)組合而成，并在濕度、風(fēng)速和日照子項(xiàng)中體現(xiàn)了溫度對(duì)各要素作用的影響，因此OWCI可以更好地刻畫各種天氣條件下白天人體舒適度。根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證和實(shí)例對(duì)比表明，OWCI模型較客觀、準(zhǔn)確地反映了各種天氣氣候條件下人群對(duì)室外天氣舒適度的主觀評(píng)價(jià)，比現(xiàn)有常用經(jīng)驗(yàn)指數(shù)更廣泛地適用于我國(guó)不同氣候區(qū)和季節(jié)。模型可應(yīng)用于具有基本氣象要素觀測(cè)或預(yù)測(cè)值的任何地點(diǎn)，其指數(shù)值可進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)計(jì)與比較，方便用于氣候舒適性時(shí)空評(píng)價(jià)和氣候變化影響評(píng)估。OWCI模型為開(kāi)展全國(guó)性天氣舒適度預(yù)報(bào)和旅游與康養(yǎng)氣候適宜性評(píng)價(jià)提供了一種先進(jìn)實(shí)用的算法工具。

引 言

天氣氣候條件是人居環(huán)境的重要組成部分，它與生活質(zhì)量、工作效率乃至健康密切相關(guān)(Shindell et al,2012)，也是影響一個(gè)地方旅游和康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。氣象要素通過(guò)多種機(jī)制作用于人與環(huán)境的熱交換,從而影響人體舒適感受。自20世紀(jì)初國(guó)外就開(kāi)始了人體熱舒適性研究，迄今提出了一百多種經(jīng)驗(yàn)或機(jī)理氣候舒適指數(shù)模型。目前應(yīng)用廣泛的有溫濕指數(shù)(THI)、風(fēng)效指數(shù)(WEI)、有效溫度(ET)、旅游氣候指數(shù)(TCI)、生理等效溫度(PET)和通用熱氣候指數(shù)(UTCI)等模型(Potchter et al,2018)?，F(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型考慮的影響要素較少，對(duì)要素作用的處理往往僅適應(yīng)于特定環(huán)境，導(dǎo)致其應(yīng)用具有氣候或季節(jié)的局限性(Potchter et al,2018;Blazejczyk et al,2012)。如THI適用于炎熱季節(jié)，WEI適用于寒冷季節(jié)。Mieczkowski(1985)提出的TCI，雖然該指數(shù)考慮的氣象要素比較全面，但其對(duì)各要素影響的區(qū)間賦值與分等定級(jí)方法主觀性很強(qiáng)，它對(duì)日照作用的處理更適合于熱愛(ài)日光浴的西方人群。機(jī)理模型基于人體與環(huán)境熱交換原理，綜合考慮了環(huán)境與人體自身各種因素的影響(閆業(yè)超等,2013)，其中UTCI被認(rèn)為是普適性最好的指數(shù)(Potchter et al,2018；Blazejczyk et al,2012；Jendritzky et al,2012)。UTCI耦合了模擬人體熱生理反應(yīng)的多點(diǎn)調(diào)節(jié)模型和衣服熱阻模型，較好地反映了各個(gè)生物氣象要素對(duì)熱舒適性的影響(McGregor,2012；Br?de et al,2012)。實(shí)際應(yīng)用中UTCI模型被簡(jiǎn)化成氣溫、水汽壓、風(fēng)速和平均輻射溫度的多元回歸模型。由于平均輻射溫度需由黑球溫度或輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，而一般氣象站缺少這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此UTCI指數(shù)應(yīng)用范圍非常有限。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)在人體氣候熱舒適性方面開(kāi)展了大量工作，主要集中于對(duì)國(guó)外指數(shù)模型進(jìn)行適應(yīng)性分析與修訂(鄭有飛等,2010；Lai et al,2014；黃靜,2001；徐大海和朱蓉,2000)、氣象要素與熱舒適性關(guān)系研究(鄭有飛等,2007；Li et al,2018；Xu et al,2018；Xie et al,2019)和舒適指數(shù)在人居環(huán)境舒適性和旅游氣候資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用(馬麗君等,2009；吳佳等,2017；于庚康等,2011；孔欽欽等,2015；張瑩等,2013；高超等,2019)等。在發(fā)展原創(chuàng)舒適指數(shù)模型方面，馮定原和邱新法(1990)、劉梅等(2001)分別提出了由溫度、水汽壓、風(fēng)速及凈輻射4個(gè)要素模擬體感溫度的多元回歸模型，陸鼎煌等(1984)、錢妙芬和葉梅(1966)、呂偉林(1997)和Feng et al(2004)構(gòu)建了多個(gè)舒適度指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。此外，圍繞建筑設(shè)計(jì)和暖通制冷需求，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了室內(nèi)外熱舒適理論研究(Huang et al, 2017；Liu et al,2017；Xie et al,2018)。我國(guó)一些地方氣象部門曾采用人體舒適度、體感溫度、綜合舒適度等多種指數(shù)模型開(kāi)展日常天氣舒適性預(yù)報(bào)(唐進(jìn)時(shí),2015)，近幾年來(lái)中國(guó)氣象服務(wù)協(xié)會(huì)將THI和WEI及其復(fù)合指數(shù)用于天然氧吧評(píng)價(jià)。

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)人居環(huán)境氣候舒適性和旅游康養(yǎng)氣候資源評(píng)價(jià)的需求越來(lái)越多，但作為人體氣候舒適性評(píng)價(jià)工具，現(xiàn)有應(yīng)用的氣候舒適指數(shù)仍然存在一些明顯的不足或不便之處，源自國(guó)外的指數(shù)及其指標(biāo)也不盡符合我國(guó)人群對(duì)天氣舒適性感受的規(guī)律及長(zhǎng)期氣候適應(yīng)下形成的習(xí)慣。因此，建立一個(gè)基于我國(guó)天氣氣候特征及人體熱舒適感受且應(yīng)用方便的氣候舒適指數(shù)模型，對(duì)于促進(jìn)開(kāi)展天氣氣候舒適性業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和評(píng)價(jià)服務(wù)，提高氣候舒適性評(píng)價(jià)科學(xué)水平具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究旨在基于總結(jié)借鑒前人相關(guān)研究成果，依據(jù)我國(guó)天氣氣候特點(diǎn)及其對(duì)人群舒適感影響規(guī)律，提出一個(gè)更適合在我國(guó)應(yīng)用且方便實(shí)用的描述人群室外活動(dòng)氣候舒適性程度的室外天氣舒適指數(shù)(outdoor weather comfort index，OWCI)模型，為開(kāi)展室外天氣舒適度預(yù)報(bào)、旅游氣候適宜性評(píng)價(jià)、氣候變化對(duì)人居氣候環(huán)境影響評(píng)估與預(yù)測(cè)提供統(tǒng)一通用的計(jì)算方法和指標(biāo)。

1 資料來(lái)源和處理

1.1 氣象資料

本研究所用氣象資料包括三類：(1)分析氣候要素時(shí)空特征及其相互關(guān)系利用了7個(gè)代表氣象站1987—2016年逐日平均氣溫、最高氣溫、空氣濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，分析氣象要素白天平均值與日平均值關(guān)系利用了7個(gè)代表氣象站2007—2016年每日4次測(cè)值和2011年自動(dòng)氣象站逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)；(2)問(wèn)卷調(diào)查驗(yàn)證利用了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查點(diǎn)所在地氣象站(2019年4月至2020年4月)逐日氣象數(shù)據(jù)；(3)指數(shù)對(duì)比利用了10個(gè)站點(diǎn)2015—2016年日氣象數(shù)據(jù)。7個(gè)代表氣象站為長(zhǎng)春、北京、鄭州、南京、長(zhǎng)沙、廣州、吐魯番，指數(shù)對(duì)比站點(diǎn)除上述代表氣象站外(不含鄭州)還包括蘭州、成都、貴陽(yáng)和普洱(思茅)。上述資料均來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。分析輻射與日照時(shí)數(shù)關(guān)系利用了中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城試驗(yàn)基地2006—2008年自動(dòng)站數(shù)據(jù)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)

2019年4月至2020年4月，在北京、定興和饒陽(yáng)、天津、武漢、無(wú)錫、長(zhǎng)沙和湘潭、杭州和麗水、成都、西安、漳州、廣州、三亞、昆明和紅河、哈密等地通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查收集了1 276 份調(diào)查表，其中，北京、湖南、福建調(diào)查時(shí)間跨度一年，所有問(wèn)卷調(diào)查均在白天時(shí)段進(jìn)行。問(wèn)卷登記了被調(diào)查者性別、年齡段、居住地、衣著、活動(dòng)狀態(tài)等基本信息，記錄了被調(diào)查者對(duì)氣溫、濕度、風(fēng)、日照以及總體氣象條件感受的主觀評(píng)價(jià)。人對(duì)氣溫的感覺(jué)分為寒冷、冷、涼、中性、暖、熱和酷熱7個(gè)等級(jí)，濕度感覺(jué)分為干燥、濕潤(rùn)(舒適)、潮濕和無(wú)感四種，人對(duì)風(fēng)的感受分為冷風(fēng)、舒適風(fēng)、熱風(fēng)和無(wú)感四種，光照感覺(jué)分為溫暖、灼熱、灼熱難耐和無(wú)感四種。去掉問(wèn)卷中部分記錄不全和有明顯疑問(wèn)的問(wèn)卷，共得到1 205份有效問(wèn)卷。

1.3 資料分析

統(tǒng)計(jì)問(wèn)卷調(diào)查日照感受時(shí)，選取所有天氣現(xiàn)象記錄為晴天或多云的樣本，灼熱和灼熱難耐歸為一檔，按最高氣溫分區(qū)間統(tǒng)計(jì)各檔日照感受樣本數(shù)量及其百分率。在計(jì)算低溫側(cè)各溫度區(qū)間舒適等級(jí)投票百分率時(shí)，因?yàn)橥耆蠀⒖紬l件(濕度為40%，風(fēng)速為0 m·s-1，日照時(shí)數(shù)為0 h)的樣本較少，所以將條件稍加放寬到濕度為30%～50%、風(fēng)速<0.5 m·s-1、日照時(shí)數(shù)<3 h的樣本，統(tǒng)計(jì)4個(gè)舒適度等級(jí)的投票百分率。

2 室外天氣舒適指數(shù)

2.1 OWCI的定義

人體氣候舒適度是指在氣象因子綜合影響下，人體感覺(jué)的熱舒適程度(ANSI/ASHRAE, 2010)。OWCI依據(jù)人對(duì)環(huán)境熱舒適性感受，不分冷熱，反映主觀感受的舒適性程度，它表示在適時(shí)調(diào)節(jié)衣著前提下，一個(gè)低強(qiáng)度活動(dòng)(或步行速度在1 m·s-1以內(nèi))的健康成年人感受的室外氣溫、濕度、風(fēng)速和日照綜合影響下的總體舒適程度。鑒于人類室外活動(dòng)(如旅游、作業(yè))主要在白天進(jìn)行，因此，OWCI表示白天時(shí)段天氣舒適程度的平均狀況。

2.2 OWCI模型

在不考慮衣著、生理和心理因素前提下，人體在室外感受的天氣舒適程度主要受氣象條件(溫度、濕度、風(fēng)速、輻射、氣壓、降水)影響，人在室外的舒適感由各氣象要素影響疊加形成。氣溫是決定舒適感的主要因素，濕度、風(fēng)和輻射在一定程度上顯著影響或改變著人對(duì)氣溫的冷熱感受。由于平均氣溫不足以反映夏季白天的炎熱程度，OWCI中考慮了最高氣溫的作用。此外，人們對(duì)氣壓日常波動(dòng)敏感度較低，對(duì)降水的感受迥異，因此OWCI中不考慮氣壓和降水的影響。這樣，OWCI由平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和輻射項(xiàng)構(gòu)成。指數(shù)模型用式(1)表示：

OWCI=C-(Cta+Ctm+Ch+Cv+Cr)

(1)

式中：C為常數(shù)，Cta為平均氣溫項(xiàng)，Ctm為最高氣溫項(xiàng)，Ch為濕度項(xiàng)，Cv為風(fēng)速項(xiàng)，Cr為輻射項(xiàng)。常數(shù)C為參考濕度、風(fēng)速和日照條件下由極不舒適閾值溫度計(jì)算的平均氣溫項(xiàng)與最高氣溫項(xiàng)之和，采用常數(shù)項(xiàng)減去各分項(xiàng)之和旨在達(dá)到OWCI值越大表示天氣舒適程度越高，同時(shí)極不舒適等級(jí)指數(shù)閾值為0的目的。

2.2.1 平均氣溫項(xiàng)

鑒于OWCI旨在描述白天天氣舒適程度，采用白天平均氣溫可以更準(zhǔn)確地反映白天的平均溫度狀況。由代表氣象站歷史資料統(tǒng)計(jì)得出，日平均氣溫(Ta)與日最高氣溫(Tmax)的平均值非常接近08—20時(shí)(北京時(shí)，下同)平均氣溫(圖1)。因此采用日平均氣溫與最高氣溫的均值表示白天平均溫度狀況。

圖1 用日平均氣溫和最高氣溫模擬白天平均氣溫

人體在中性溫度范圍感覺(jué)最舒適，隨著環(huán)境溫度升高或降低，舒適感下降并隨后轉(zhuǎn)變?yōu)椴皇孢m。人體中性溫度隨氣候區(qū)和季節(jié)而變化。Potchter et al(2018)總結(jié)各種氣候下的熱舒適研究結(jié)果表明，在參考條件下具有共性的無(wú)熱脅迫溫度區(qū)間為18～23℃，中值為20.5℃。張志薇(2014)采用人體最佳舒適溫度計(jì)算方法計(jì)算了我國(guó)31個(gè)省會(huì)城市的最佳舒適溫度，分布區(qū)間為20.0～22.7℃，均值為21.4℃。Liu et al(2016)通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查得出華中城市長(zhǎng)沙全年平均中性溫度為20.3℃。綜合考慮前人研究結(jié)果，取21℃為我國(guó)平均最舒適溫度，也就是當(dāng)白天平均氣溫為21℃時(shí)，人在室外感覺(jué)最舒適，對(duì)應(yīng)的最舒適日平均溫度約為18℃。借鑒陸鼎煌等(1984)提出的綜合舒適度平均氣溫項(xiàng)的計(jì)算方法及其系數(shù)取值，用式(2)表示OWCI平均氣溫項(xiàng)：

(2)

式中：Ta為日平均氣溫(單位：℃)；Tmax為日最高氣溫(單位：℃)；A為平均氣溫項(xiàng)系數(shù)，取值0.6。平均氣溫項(xiàng)取值隨氣溫分布是以白天平均氣溫21℃為頂點(diǎn)的V字形(圖略)。

2.2.2 最高氣溫項(xiàng)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在我國(guó)不同氣候和天氣條件下，日最高氣溫約平均高于日平均氣溫5℃(圖略)，其差值隨天氣不同變化很大(圖2)。在舒適溫度和低溫環(huán)境下人對(duì)最高氣溫感受不明顯，但在高溫季節(jié)，同一平均氣溫下，最高氣溫不同對(duì)人體熱舒適性影響差異顯著，最高氣溫越高，人的熱感不舒適性急劇增加。雖然平均氣溫項(xiàng)已包含部分最高氣溫信息，但仍不足以反映最高氣溫對(duì)熱舒適性的影響，為此OWCI設(shè)置最高氣溫項(xiàng)，以表示高溫季節(jié)日最高氣溫對(duì)熱舒適的特別影響。同時(shí)它可以起到體現(xiàn)調(diào)節(jié)衣著對(duì)舒適感影響的作用，一定溫度范圍內(nèi)隨著氣溫下降人們可以通過(guò)增加衣著保持體感舒適。

圖2 日最高氣溫與日平均氣溫差值的概率分布

OWCI最高氣溫項(xiàng)的表達(dá)如式(3)：

(3)

式中：M，m1，m2為最高氣溫項(xiàng)系數(shù)，由問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)調(diào)試確定，下同。Tmax取值分布如圖3所示。

圖3 OWCI最高氣溫項(xiàng)取值分布

2.2.3 濕度項(xiàng)

高濕在高溫區(qū)間主要是抑制體表汗液蒸發(fā)使人感覺(jué)悶熱潮濕，而在低溫時(shí)則通過(guò)影響衣服和空氣熱傳輸阻力使人感覺(jué)更冷(鄭有飛等，2007；于波等,2002；Stathopoulos et al, 2004)，在21℃氣溫條件下，體感溫度隨水汽壓增加變化極小(于波等,2002)，中性溫度時(shí)濕度的變化對(duì)人體熱舒適性影響很小(胡敏等,2007)，問(wèn)卷調(diào)查表明相對(duì)濕度40%對(duì)人體而言是中性的(Stathopoulos et al, 2004)。無(wú)論高溫或低溫條件下，濕度過(guò)低均引起皮膚和鼻粘膜干燥不適，舒適感下降。根據(jù)UTCI對(duì)舒適溫度以上濕度熱效應(yīng)模擬結(jié)果(Br?de et al,2012)，濕度增溫效應(yīng)與溫度和濕度的關(guān)系如圖4，可見(jiàn)濕度熱效應(yīng)與氣溫和濕度自身均存在某種冪函數(shù)關(guān)系。同時(shí)根據(jù)Mieczkowski(1985)研究，在舒適溫度以下，高濕使人感覺(jué)更冷的效應(yīng)主要在0～8℃時(shí)顯現(xiàn)，當(dāng)氣溫低于0℃后，濕度的效應(yīng)逐漸消失。這也是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)楫?dāng)氣溫遠(yuǎn)低于0℃后，空氣中的水汽壓趨向于0(Br?de et al,2012)。

圖4 濕度的增溫效應(yīng)隨(a)氣溫和(b)相對(duì)濕度的變化

綜合上述分析，將40%作為中性濕度，以我國(guó)平均最佳人體舒適溫度(白天平均氣溫為21℃，對(duì)應(yīng)日平均氣溫為18℃)作為濕度效應(yīng)的過(guò)渡點(diǎn)溫度，構(gòu)建OWCI濕度項(xiàng)如式(4)：

Ch=H(Ta-18)2×e1-h(Ta-35)2×

(4)

式中：H,h為濕度項(xiàng)系數(shù)，R為相對(duì)濕度的日平均值(0～1)。

OWCI濕度項(xiàng)取值隨氣溫和空氣濕度的變化見(jiàn)圖5。

圖5 不同日平均氣溫的OWCI濕度項(xiàng)取值分布

2.2.4 風(fēng)速項(xiàng)

風(fēng)主要通過(guò)促進(jìn)人與空氣熱對(duì)流傳導(dǎo)而影響人對(duì)環(huán)境的冷熱感受。根據(jù)Takahashi(1961)推導(dǎo)的人與空氣傳導(dǎo)熱交換關(guān)系式可以得出，風(fēng)對(duì)體感溫度的影響與體表空氣溫差及風(fēng)速的關(guān)系可用式(5)近似模擬：

(5)

式中：Tv為風(fēng)對(duì)體感溫度的修訂，T為氣溫(單位：℃)，Ts為裸露皮膚溫度(單位：℃)，V為風(fēng)速(單位：m·s-1)，K為系數(shù)。

依據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果，人體平均體表溫度為33～35℃(彭見(jiàn)曙等,1994)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，日最高氣溫比白天平均氣溫高2～3℃，日平均風(fēng)速與白天平均風(fēng)速相近(圖略)。當(dāng)白天平均氣溫等于體表溫度(取平均值34℃)時(shí)，這時(shí)日最高氣溫接近36℃，因此，白天風(fēng)對(duì)體感溫度的平均影響可改寫成式(6)：

(6)

風(fēng)對(duì)舒適感的影響比對(duì)體感溫度影響更復(fù)雜，風(fēng)在不同溫度區(qū)間對(duì)人體舒適性影響是不同的(Nikolopoulou and Lykoudis, 2006)。眾所周知，在舒適溫度以下，風(fēng)帶給人寒冷感覺(jué)，使舒適度降低;而當(dāng)氣溫高于舒適溫度但低于皮膚溫度時(shí)，風(fēng)給人涼爽感覺(jué)，使舒適度升高;當(dāng)氣溫高于皮膚溫度后，風(fēng)便成為熱浪，加劇舒適度下降。因此，風(fēng)對(duì)舒適度的影響應(yīng)分為3個(gè)溫度區(qū)間。最高氣溫36℃是其轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一，另一轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)位于人群平均中性溫度(白天平均氣溫21℃)附近，對(duì)應(yīng)于日最高氣溫24℃附近，考慮到此時(shí)風(fēng)具有降溫效果，轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)高于24℃，參考現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)，設(shè)定最高氣溫26℃為從冷風(fēng)到舒適風(fēng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度。采用式(7)模擬OWCI風(fēng)速項(xiàng)，風(fēng)速項(xiàng)分布見(jiàn)圖6。

圖6 不同日最高氣溫的OWCI風(fēng)速項(xiàng)取值分布

(7)

式中：W為風(fēng)速項(xiàng)系數(shù)。

2.2.5 日照項(xiàng)

輻射對(duì)人體感溫度影響可以用環(huán)境平均輻射溫度(Tr)與氣溫之差來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估(Br?de et al, 2012),或用凈輻射來(lái)估算(馮定原和邱新法,1990；于波等,2002)。但Tr需由黑球溫度或輻射等參數(shù)推算，常規(guī)氣象觀測(cè)中不包含黑球溫度，我國(guó)大部分氣象站也不進(jìn)行輻射觀測(cè)。OWCI采用日照時(shí)數(shù)來(lái)估算日照對(duì)人體舒適感的影響。分析輻射觀測(cè)站日照時(shí)數(shù)與總輻射關(guān)系發(fā)現(xiàn)，按月份統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)與總輻射具有很好的線性相關(guān)關(guān)系(圖7)，但相同日照時(shí)數(shù)在7月對(duì)應(yīng)的輻射值比1月大幅增加，說(shuō)明還必須考慮輻射強(qiáng)度隨季節(jié)的變化，而輻射強(qiáng)度隨季節(jié)變化與氣溫隨季節(jié)變化是平行的。根據(jù)劉梅等(2001)提出的體感溫度輻射增溫計(jì)算方法，利用固城站輻射觀測(cè)資料估算每日輻射增溫值，發(fā)現(xiàn)在相同日照時(shí)數(shù)下，太陽(yáng)輻射引起的體感溫度增加值隨日最高氣溫上升呈線性升高特征(圖略)。因此可以用氣溫和日照時(shí)數(shù)兩個(gè)因子的合成來(lái)反映輻射對(duì)舒適性的影響。

圖7 日照時(shí)數(shù)與日總輻射量關(guān)系(y1：1月日總輻射量，y7：7月日總輻射量)

雖然日照總是引起體感溫度升高，但在冬季和夏季日照對(duì)人舒適感的影響卻絕然相反，冬季陽(yáng)光令人溫暖舒適，夏季太陽(yáng)灼熱難受。顯然，日照對(duì)室外人體舒適性的影響隨溫度變化存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)位于中性溫度附近。

分析現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)得出，在最高氣溫為25～27℃的區(qū)間，人們認(rèn)為日照感覺(jué)為溫暖和灼熱的比例最接近，低于25℃時(shí)，認(rèn)為日照溫暖的比例明顯高于感覺(jué)灼熱的比例，當(dāng)高于27℃時(shí)，認(rèn)為日照感覺(jué)灼熱的比例高于感覺(jué)溫暖的比例(表1)。這表明日照對(duì)舒適感影響轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于25～27℃的最高氣溫區(qū)間。

表1 問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)的不同氣溫區(qū)間三類日照感受占比(單位：%)

綜合上述分析，采用式(8)描述OWCI日照項(xiàng)，考慮到日照的升溫作用，取25～27℃的下限即最高氣溫25℃作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度：

Cr=F(Tmax-25)×e1-f(Tmax-40)2S

(8)

式中：F,f為輻射項(xiàng)系數(shù)，S為日照時(shí)數(shù)(單位：h)。

OWCI日照項(xiàng)取值隨氣溫和日照時(shí)數(shù)的分布如圖8。

圖8 不同日最高氣溫的OWCI日照項(xiàng)取值分布

2.3 舒適指數(shù)分級(jí)及指標(biāo)

根據(jù)簡(jiǎn)明實(shí)用原則，將室外天氣舒適性分為4個(gè)等級(jí)，分別為極舒適、舒適、不舒適和極不舒適。極舒適表示氣象條件總體讓人感覺(jué)非常舒爽；舒適表示氣象條件總體令人或暴露體表感覺(jué)不到明顯熱或冷脅迫，適宜于從事室外活動(dòng)；不舒適表示氣象條件總體令人或暴露體表明顯感受到熱或冷脅迫，不適宜長(zhǎng)時(shí)間室外活動(dòng)；極不舒適表示室外氣象條件總體令人難以長(zhǎng)時(shí)間忍受，長(zhǎng)時(shí)間處于室外可能受到傷害(中暑、凍傷)，需要做必要的防護(hù)。

舒適等級(jí)劃分指標(biāo)采用參考風(fēng)速(0 m·s-1)、濕度(40%)和日照時(shí)數(shù)(0 h)下的溫度閾值，由日平均氣溫與對(duì)應(yīng)的最高氣溫(根據(jù)中國(guó)多地氣候統(tǒng)計(jì)，日最高氣溫平均比日平均氣溫約高5℃)閾值組成。以大多數(shù)人感覺(jué)熱中性的溫度區(qū)間作為極舒適等級(jí)，對(duì)應(yīng)于15℃≤Ta<22℃，20℃≤Tmax<27℃；高溫側(cè)舒適等級(jí)溫度區(qū)間為白天氣溫均在平均裸露皮膚溫度(34℃)(彭見(jiàn)曙等，1994)以內(nèi)，即22℃≤Ta<29℃，27℃≤Tmax<34℃；不舒適等級(jí)區(qū)間為最高氣溫開(kāi)始高于平均裸露皮膚溫度至白天平均氣溫開(kāi)始高于裸露皮膚溫度，即29℃≤Ta<35℃，34℃≤Tmax<40℃；極不舒適等級(jí)區(qū)間為白天氣溫均高于平均裸露皮膚溫度，即Ta≥35℃，Tmax≥40℃。低溫側(cè)等級(jí)指標(biāo)參考了問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選擇問(wèn)卷中濕度、風(fēng)速和日照基本符合參考條件的96個(gè)樣本，統(tǒng)計(jì)得到低溫側(cè)主觀感覺(jué)投票的分布(表2)，可看出日平均氣溫7℃左右是舒適與不舒適等級(jí)的分界，-5℃是極不舒適與不舒適等級(jí)分界。因此將7℃≤Ta<15℃，12℃≤Tmax<20℃作為低溫側(cè)的舒適等級(jí)溫度區(qū)間，-5℃≤Ta<7℃，0≤Tmax<12℃作為不舒適等級(jí)溫度區(qū)間，極不舒適等級(jí)溫度區(qū)間為Ta<-5℃，Tmax<0℃。各等級(jí)溫度指標(biāo)及指數(shù)值規(guī)定見(jiàn)表3。

表2 參考條件(30%

表3 OWCI分級(jí)溫度指標(biāo)及其指數(shù)值(參考條件：V=0 m·s-1，R=40 %，S=0 h)

3 問(wèn)卷調(diào)查驗(yàn)證及與現(xiàn)有指數(shù)的比較

3.1 問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證與對(duì)比

為了驗(yàn)證OWCI模擬人體舒適感的準(zhǔn)確性，計(jì)算了每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查日的OWCI值及其分級(jí)，對(duì)指數(shù)值分級(jí)和主觀評(píng)價(jià)分級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到結(jié)果如下：1 205次問(wèn)卷中780次指數(shù)值分級(jí)與主觀評(píng)價(jià)分級(jí)一致，吻合率為65%，相差1個(gè)級(jí)別的占35%，無(wú)相差2個(gè)等級(jí)的情況。如果僅分為舒適和不舒適兩類，則計(jì)算結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)完全一致的比例為88.3%。根據(jù)中國(guó)氣象服務(wù)協(xié)會(huì)在中國(guó)天然氧吧評(píng)價(jià)中采用的將THI和WEI相結(jié)合的舒適度評(píng)價(jià)方法(日最高氣溫≥29℃采用THI，其余情況采用WEI)，由問(wèn)卷調(diào)查日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的舒適度分級(jí)結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)分級(jí)完全吻合的比例為49%，相差一個(gè)等級(jí)的占48.4%，相差2個(gè)等級(jí)的為2.6%，如果僅分為舒適和不舒適兩類，則計(jì)算結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)完全一致的比例為71.4%。

3.2 不同區(qū)域站點(diǎn)實(shí)例指數(shù)分級(jí)對(duì)比

為了鑒定新指數(shù)相對(duì)于現(xiàn)有常用指數(shù)的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算了我國(guó)不同氣候區(qū)10個(gè)站點(diǎn)2015—2016年各指數(shù)的日值，并按各自分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分舒適等級(jí)。首先應(yīng)指出的是，大部分情況下各指數(shù)的分級(jí)結(jié)果是一致的，在不一致的情形里，相差1個(gè)等級(jí)的占大多數(shù)，相差2個(gè)以上等級(jí)的情形較少。因篇幅所限，只選取了部分不一致的案例進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表4。根據(jù)表4中各地案例的氣象條件，可以看出OWCI 的評(píng)價(jià)分級(jí)總體上更加合理，在大部分案例中，新指數(shù)的評(píng)價(jià)分級(jí)或者與其他指數(shù)分級(jí)相同，或者介于其他指數(shù)兩種不同評(píng)價(jià)等級(jí)之間?，F(xiàn)有指數(shù)或多或少對(duì)一些天氣條件表現(xiàn)出明顯判別失誤。比如THI在每個(gè)站點(diǎn)都有評(píng)價(jià)不太符合人們感受的情況，以南京為例，2015年8月6日高溫高濕加日曬，而8月9日雖然濕度較高，但無(wú)日照，氣溫較低，高濕的不舒適效應(yīng)較小，同時(shí)該溫度下風(fēng)可起降溫作用，因此兩天的舒適感受應(yīng)該絕然不同；2016年6月23日成都，THI判別為不舒適，其余指數(shù)均判別為舒適。WEI在風(fēng)速較小時(shí)其分級(jí)失真，像2015年2月3日長(zhǎng)春、2015年2月20日北京和2015年2月1日成都這些天氣顯然不應(yīng)被劃為舒適等級(jí)。CIHB雖然在THI基礎(chǔ)上增加了風(fēng)速要素，但對(duì)高溫時(shí)風(fēng)效的評(píng)價(jià)不符合人們感受，例如2016年6月11日吐魯番和2015年8月7日廣州的情形。按照ET標(biāo)準(zhǔn)，2015年10月21日長(zhǎng)春、2015年2月16日北京和2015年2月22日蘭州均為寒冷等級(jí)，而這種天氣春、秋季常見(jiàn)，因白天均有太陽(yáng)，溫度較高，風(fēng)速不大，不潮濕，通常感覺(jué)是比較舒適的。此外，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)指數(shù)對(duì)干熱天氣(吐魯番、2016年7月3日蘭州、2016年5月11日普洱)舒適性的評(píng)價(jià)明顯偏離人們的普遍感受。

表4 OWCI與現(xiàn)有指數(shù)對(duì)不同區(qū)域站點(diǎn)實(shí)例的天氣舒適度評(píng)價(jià)

3.3 各指數(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限

現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型都具有比較簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，輸入要素易得，其應(yīng)用已有較長(zhǎng)歷史且全球影響廣泛，因其包含了主要的影響要素并反映了要素的主要影響特征，所以基本上能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)大多數(shù)天氣的舒適程度。同時(shí)，由于它們忽略了某些氣象要素，當(dāng)這些要素作用明顯時(shí)便會(huì)導(dǎo)致其評(píng)價(jià)失真。THI 的構(gòu)建是以靜止飽和大氣作為參照標(biāo)準(zhǔn)，選擇了氣溫和濕度兩個(gè)要素，對(duì)于濕熱氣候條件具有較好的適用性，當(dāng)氣溫較低時(shí)，輻射增溫與風(fēng)的降溫作用極其明顯，因此，沒(méi)有考慮風(fēng)速和輻射對(duì)人體舒適感的影響導(dǎo)致THI不適用于寒冷環(huán)境的舒適度評(píng)價(jià)。WEI正是針對(duì)寒冷環(huán)境由風(fēng)寒指數(shù)(WCI)發(fā)展而來(lái)，采用了溫度-風(fēng)速-日照組合，它比較適用于相對(duì)干燥的北方冬季環(huán)境，由于沒(méi)有考慮濕度的作用，所以不適用于濕熱和濕冷天氣。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，現(xiàn)在較多地采用THI和WEI的組合模型，這樣兼顧了4個(gè)主要?dú)庀笠氐挠绊懀訖?quán)組合方式?jīng)]有完全體現(xiàn)出各要素的實(shí)際作用。CIHB是由THI模型中增加風(fēng)速項(xiàng)改進(jìn)而來(lái)的，它彌補(bǔ)了THI缺乏風(fēng)速要素而不適用于寒冷季節(jié)的不足，但其風(fēng)速項(xiàng)不受氣溫制約，導(dǎo)致其對(duì)高溫有風(fēng)環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)失準(zhǔn)。ET模型中包含了溫、濕和風(fēng)3個(gè)要素，其中也反映了風(fēng)與濕度的相互作用，它是一個(gè)從溫暖環(huán)境到寒冷環(huán)境比較普適的評(píng)價(jià)模型，未考慮輻射影響是其主要不足，分析發(fā)現(xiàn)ET更適合用于評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)天氣舒適性。與上述指數(shù)相比，OWCI考慮了溫、濕、風(fēng)和日照4個(gè)要素的作用，并融合了氣溫對(duì)濕度、風(fēng)速和日照效應(yīng)的影響，因此其適用的天氣條件更加廣泛。OWCI模型的另一特點(diǎn)是加入了最高氣溫，用來(lái)針對(duì)性地評(píng)價(jià)白天的天氣舒適性，而僅用日平均氣溫則不論對(duì)白天或夜晚都存在代表性不足的問(wèn)題。此外OWCI模型也存在對(duì)某些天氣條件舒適性評(píng)價(jià)偏離人群感受的問(wèn)題，比如不能準(zhǔn)確反映適宜溫度環(huán)境下干燥和強(qiáng)烈日照引起的不適，這導(dǎo)致對(duì)高原地區(qū)部分天氣條件舒適性評(píng)價(jià)出現(xiàn)偏差。

4 結(jié)論和討論

通過(guò)借鑒前人研究成果，結(jié)合對(duì)我國(guó)天氣氣候特征和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)分析，本文提出了室外天氣舒適指數(shù)(OWCI)模型及其分級(jí)與指標(biāo)。根據(jù)對(duì)不同氣候區(qū)多地問(wèn)卷調(diào)查驗(yàn)證和實(shí)例對(duì)比表明，OWCI能夠比較客觀、準(zhǔn)確地反映人群對(duì)室外天氣總體舒適性的主觀感受，與現(xiàn)有常用指數(shù)相比，OWCI可以更廣泛地適用于我國(guó)不同氣候區(qū)與季節(jié)。OWCI表示舒適程度，不分冷熱，等級(jí)指標(biāo)統(tǒng)一，可以進(jìn)行不同時(shí)空尺度統(tǒng)計(jì)，便于進(jìn)行人居氣候舒適性和旅游氣候適宜性時(shí)空評(píng)價(jià)及其氣候變化影響評(píng)估與預(yù)測(cè)，模型所用氣象數(shù)據(jù)獲取方便，便于廣泛應(yīng)用。

在我國(guó)人們普遍熟悉夏季高溫高濕的悶熱感，也體驗(yàn)過(guò)華中華東地區(qū)冬、春季陰雨天的寒冷，ET和THI雖然也反映了高低溫環(huán)境下濕度效應(yīng)的差異，但ET中濕度效應(yīng)的過(guò)渡溫度在10～15℃附近(Blazejczyk et al,2012)，THI的過(guò)渡溫度在15℃附近(Thom, 1959)。事實(shí)上，華中華東地區(qū)冬、春季在10～15℃氣溫時(shí)陰雨潮濕仍會(huì)令人感覺(jué)冷，而高濕讓人感覺(jué)悶熱的溫度是25℃以上(Li et al,2018；閆海燕,2013)，OWCI中取日平均氣溫18℃作為濕度效應(yīng)的過(guò)渡溫度比較符合我國(guó)情況。由OWCI模型計(jì)算可知，日平均氣溫30℃(相應(yīng)最高氣溫35℃)、相對(duì)濕度80%時(shí)的指數(shù)值與相對(duì)濕度40%、平均氣溫33.5℃(相應(yīng)最高氣溫38.5℃)時(shí)的指數(shù)值完全相同，這與UTCI指數(shù)模擬結(jié)果幾乎一致(Br?de et al,2012)。需要指出的是，由各地氣象站資料統(tǒng)計(jì)分析表明(圖略)，白天平均濕度通常低于日平均濕度，最大相差30%，平均相差7%。雖然OWCI模型中已考慮這一特征，但用日平均濕度代替白天平均濕度有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些誤差。

根據(jù)風(fēng)速項(xiàng)模擬結(jié)果(圖6)，在氣溫為-6℃時(shí)2 m·s-1風(fēng)速產(chǎn)生的降溫效果約為6℃，4 m·s-1風(fēng)速的降溫效果約8℃，這與UTCI模擬結(jié)果非常接近(Br?de et al,2012)，這說(shuō)明OWCI對(duì)低溫區(qū)間風(fēng)的作用模擬比較準(zhǔn)確。在中高溫度區(qū)間(Tmax>25℃)，OWCI基本反映了風(fēng)的舒適效應(yīng)和熱浪效果特征，轉(zhuǎn)折溫度也與UTCI相近，但這時(shí)風(fēng)的作用與風(fēng)速的關(guān)系更加復(fù)雜，并且也與空氣濕度相互影響(Xie et al,2018)，另外，OWCI不能反映出舒適溫度區(qū)間大風(fēng)機(jī)械作用的不舒適性。

根據(jù)UTCI模型，當(dāng)平均輻射溫度與氣溫差為30℃時(shí)(相當(dāng)于炎熱夏季的正午)，輻射增溫達(dá)到近10℃(Br?de et al,2012)。由OWCI模型可以算出，在日最高氣溫為38℃時(shí)，全天日照對(duì)舒適感的影響與無(wú)日照天氣里氣溫升高5℃～6℃的效果相近，OWCI中考慮到夏季太陽(yáng)下人們通常有帶帽或打傘等適應(yīng)性措施，適當(dāng)調(diào)低了高溫區(qū)間日照的增溫效應(yīng)。在冬季，8 h日照對(duì)舒適指數(shù)的影響相當(dāng)于氣溫提高5℃左右，這與馮定原和邱新法(1990)計(jì)算的冬季輻射增溫一致。誠(chéng)然，日照項(xiàng)只考慮了太陽(yáng)輻射的作用，忽略了人體周圍環(huán)境物體與人的輻射熱交換，這部分熱交換有時(shí)也會(huì)明顯影響到人的熱感受。此外，日照對(duì)人的影響還隨海拔高度而不同，高原雖然夏季溫度不高，但總輻射和紫外線特別強(qiáng)烈，這時(shí)OWCI可能低估了日照的不舒適作用。

現(xiàn)有指數(shù)通常將熱舒適感受劃分為5～12級(jí)，以7級(jí)劃分更符合人體感知和文化經(jīng)驗(yàn)的辨析粒度(蔚丹丹和李山,2019)。OWCI劃分為7個(gè)溫度區(qū)間和4個(gè)舒適等級(jí)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)天氣條件對(duì)室外活動(dòng)的適宜程度，比較直觀簡(jiǎn)明，易于接受和理解。將國(guó)外指數(shù)分級(jí)指標(biāo)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)時(shí)，可能出現(xiàn)與實(shí)際不符，于庚康等(2011)和閔俊杰等(2012)分別針對(duì)CIHB和THI建立了適合我國(guó)情況的分級(jí)指標(biāo)。根據(jù)CIHB分級(jí)指標(biāo)(于庚康等，2011)可以算出，參考條件(相對(duì)濕度為40%，風(fēng)速為0 m·s-1)下，熱舒適與熱不舒適、熱不舒適與熱極不舒適分界閾值分別對(duì)應(yīng)平均氣溫30.2℃和36.8℃，低溫一側(cè)相應(yīng)閾值分別為7.8℃和-4.6℃。根據(jù)THI分級(jí)指標(biāo)(閔俊杰等，2012)可以算出，參考條件(相對(duì)濕度40%)下，上述指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)平均氣溫為29.4、37.6、7.8和-12.9℃。OWCI的舒適與不舒適閾值溫度(Ta=7℃或Ta=29℃)與兩者結(jié)果相當(dāng)接近；低溫一側(cè)的極不舒適閾值(Ta=-5℃)與于庚康等(2011)結(jié)果基本一致，高溫一側(cè)的極不舒適閾值(Ta=35℃)比兩者略低，表明OWCI分級(jí)指標(biāo)基本符合共識(shí)，但冷極不舒適閾值對(duì)于東北和西北人群而言有所偏高。由于不同區(qū)域人群長(zhǎng)期生活的生理適應(yīng)緣故，哈爾濱居民與廣州居民以及上海居民與西藏居民對(duì)同一冷熱的感覺(jué)會(huì)有差異，尤其是極不舒適閾值指標(biāo)的差異可能較大，用一套統(tǒng)一的閾值標(biāo)準(zhǔn)可能難以完全適用于全國(guó)各地，這需要在未來(lái)更深入的研究基礎(chǔ)上細(xì)化和完善。

OWCI沒(méi)有考慮天氣現(xiàn)象對(duì)舒適性的影響，對(duì)于旅游出行和某些其他室外活動(dòng)而言，強(qiáng)降水、大霧、沙塵暴等偶發(fā)天氣現(xiàn)象都是極其不利的妨礙因素，因此結(jié)合對(duì)這類災(zāi)害性天氣的補(bǔ)充評(píng)估才能更全面地評(píng)價(jià)天氣氣候條件對(duì)室外活動(dòng)的適宜程度和旅游氣候適宜性。我國(guó)幅員遼闊、氣候類型多樣，各地人群的熱體驗(yàn)經(jīng)歷很不相同，OWCI研究過(guò)程中開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查雖然包括了我國(guó)大多數(shù)氣候區(qū)域，但仍然不夠全面，調(diào)查樣本數(shù)量還比較少，代表性尚有局限，因此，OWCI模型及其分級(jí)指標(biāo)還需要經(jīng)過(guò)廣泛的檢驗(yàn)和不斷改進(jìn)。此外，本文雖然將OWCI與現(xiàn)有常用經(jīng)驗(yàn)指數(shù)做了對(duì)比分析，UTCI是學(xué)界公認(rèn)的普適機(jī)理模型，將OWCI與UTCI進(jìn)行廣泛的實(shí)例對(duì)比分析將可以更全面地評(píng)價(jià)新指數(shù)的適用性與局限性。